Гидроаэромеханика

Изучает движение жидкостей и газов, а также их взаимодействие с твёрдыми телами.

Главным объектом исследования гидроаэромеханики с момента её возникновения стало взаимодействие между средой (водой, воздухом) и движущимся или покоящимся в ней телом.

Первым учёным, внёсшим значительный вклад в гидроаэромеханику, был Архимед (3 в. до н. э.), открывший основной закон гидростатики и создавший теорию равновесия жидкостей.

Следующий этап развития гидроаэромеханики относится к эпохе Возрождения (XVI–XVII вв.).

Леонардо да Винчи сделал первый существенный шаг в изучении движения тел в жидкости или газе.

Б.Паскаль, рассматривая силу, действующую перпендикулярно к поверхности соприкосновения двух элементарных объёмов жидкости (давление), установил, что в данной точке жидкости давление действует с одинаковой силой во всех направлениях.

Первое теоретическое определение закона сопротивления принадлежит английскому учёному И.Ньютону, который, установив основные законы и уравнения динамики, открыл путь для перехода гидроаэромеханики от изучения отдельных задач к исследованиям общих законов движения жидкостей и газов.

Создатели теоретической гидродинамики Л.Эйлер и Д.Бернулли применили законы механики к исследованиям течений жидкостей. Л.Эйлер впервые вывел основные уравнения движения так называемый «идеальной», то есть не обладающей вязкостью, жидкости.

Основным достижением гидроаэромеханики XIX в. стал переход к исследованиям движения вязкой жидкости, что было вызвано развитием гидравлики, гидротехники и машиностроения (смазка трущихся частей машин). Опыт показал, что при малых скоростях движения тел сопротивление зависит в основном от силы вязкости. Они же определяют сопротивление при движении жидкостей в трубах и каналах.

В начале XX в. в связи с зарождением авиации характерной особенностью развития гидроаэромеханики становится интенсивное сближение общетеоретических исследований с инженерными, её формирование неотделимо от решения насущных запросов техники.

В 1-й половине XX в. значительная часть полученных результатов в области гидроаэромеханики была связана с научными школами: московской школой Н.Е.Жуковского и С.А.Чаплыгина и гёттингенской школой Л.Прандтля (Аэродинамический исследовательский центр в городе Гёттинген, Германия).

Разработка теории подъёмной силы крыла, тяги крыла, тяги винта, ряда вопросов динамики полёта неразрывно связана с трудами Н.Е.Жуковского. Он впервые в России организовал аэродинамические лаборатории, стоял у колыбели создания в 1918 г. Центрального аэрогидродинамического института, ставшего под руководством С.А.Чаплыгина мировым центром в области механики жидкости и газа. Московская школа внесла фундаментальный вклад прежде всего в разработку плоских задач гидроаэромеханики, тесно связанных с приложениями теории функций комплексного переменного (П.А.Вальтер, В.В.Голубев, М.В.Келдыш, Н.Е.Кочин, М.А.Лаврентьев и др.).

Основные научные центры исследований по гидроаэромеханики в Республике Татарстан — Казанский университет, Казанский технический университет, Институт механики и машиностроения (ИММ) КНЦ РАН.

Наиболее крупные научные школы в области гидроаэромеханики в Республике Татарстан: теории обратных краевых задач (ОКЗ), подземной гидромеханики, гидродинамики больших скоростей и аэрогидроупругости. Основателем теории ОКЗ (первой в СССР) был Г.Г.Тумашев (1942 г.).

В 1947 г. М.Т.Нужин дал общую постановку ОКЗ для аналитических функций. Методы ОКЗ нашли успешное применение в задачах гидротехники (расчёт плотин) и теории взрыва на выброс. Р.Б.Салимов исследовал задачи по модификации профиля крыла.

В 1980–1990-е гг. разрабатываются эффективные методы компьютерного проектирования профилей с заданными свойствами (А.М.Елизаров, Н.Б.Ильинский, А.В.Поташев).

Исследования по подземной гидромеханике в Республике Татарстан развернулись в 1950-е гг. в ответ на запросы нефтяной промышленности. Была создана теория движения водонефтяного контакта (Г.Г.Тумашев, В.Л.Данилов); исследованы задачи оптимальной расстановки скважин (В.Д.Чугунов); развиты эффективные численные методы расчёта двухфазной фильтрации и полимерного заводнения (В.Я.Булыгин, А.Н.Чекалин); проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования нелинейной и релаксационной фильтрации (Н.Н.Непримеров, Ю.М.Молокович, Э.В.Скворцов); изучены тепловые поля в нефтяных пластах и скважинах (Н.Н.Непримеров, М.А.Пудовкин, А.Н.Саламатин, В.А.Чугунов); разработаны методы идентификации гидропроводности пластов (В.Я.Булыгин, Г.В.Голубев, М.Х.Хайруллин, П.Г.Данилаев); изучено влияние деформаций пласта на показатели разработки (Р.Н.Дияшев, А.В.Костерин, Э.В.Скворцов).

Теоретические исследования течений жидкости со свободными границами (по гидродинамике больших скоростей) развивались в НИИ математики и механики при Казанском университете (с 1962 г.). В рамках этой школы дано развитие схем кавитационного обтекания препятствий (А.В.Кузнецов, А.Г.Терентьев); разработана теория взаимодействия потоков с различными полными давлениями (О.М.Киселёв, Д.В.Маклаков); изучены колебания кавитирующего препятствия, включая вопросы устойчивости границ и явления резонанса (А.В.Кузнецов); развита теория нелинейных волн на свободной поверхности жидкости (Д.В.Маклаков); исследованы обтекание подводного крыла, работа суперкавитирующего винта, быстрый вход тела в воду с образованием каверны.

В 1970-е гг. в Физико-техническом институте КФАН СССР, а затем в ИММ КНЦ РАН под руководством М.А.Ильгамова сформировалось научное направление по гидроаэроупругости (А.А.Аганин, Ш.У.Галиев, А.Н.Гильманов, Р.Ш.Гимадиев, Б.В.Гулин, Р.Г.Зарипов, В.А.Иванов, Р.Н.Мифтахов, В.В.Ридель, Ж.М.Сахабутдинов, В.Л.Федяев, Р.Г.Якупов). Развита теория сильного взаимодействия проницаемых и непроницаемых оболочек с жидкостью и газом с учётом больших перемещений контактной поверхности. Установлено существование периодических ударных волн в газовой полости цилиндрической оболочки, дана теория этого явления. Изучено динамическое поведение мягких оболочек в потоке, выполнено моделирование процесса раскрытия парашюта. Созданы экспериментальные модели волновых движителей и перистальтических насосов, разработана их теория.

В Казанском авиационном институте (ныне Казанский технический университет) Н.Г.Четаевым была создана кафедра гидроаэромеханики (1932 г.).

Г.В.Каменков развил результаты исследования Т.Кармана и Н.Е.Жуковского по теории вихревого следа.

С.Г.Нужин дал эффективный метод расчёта обтекания профиля крыла потоком газа, выполнил исследования по теории крыла конечного размаха и вихревой теории винта.

В.Г.Павлов, К.Г.Гараев и их ученики применили в гидроаэромеханики методы теории непрерывных групп: развили теорию подобия механических явлений, дали групповой анализ задач теории пограничного слоя, установили взаимосвязь обратных задач и алгебраичных структур. Результаты экспериментальных исследований в аэродинамических трубах, полученные на этой кафедре, были использованы в ведущих отечественных КБ авиационной техники.

Результаты исследования, связанные с разработкой моделей механизированных крыльев по передней и задней кромкам, крыльев большого удлинения и с суперкритическим профилем, а также полуэмпирические методы расчёта аэродинамических характеристик позволили поднять на качественно новый уровень проектирование средств взлётно-посадочной механизации для самолётов Ту-204, Ту-334, существенно сократить сроки проектирования и экономические затраты.

Со 2-й половины 1970-х гг. в Казанском университете под руководством  О.М.Киселёва и Л.М.Котляра проводились исследования неравновесных течений излучающего газа и плазмы, связанные с моделированием проточных газодинамических лазеров (ГДЛ). Разработаны методы расчёта трансзвукового колебательно-неравновесного течения газа в соплах Лаваля с учётом пограничного слоя. Предложен вариационный метод профилирования сопл с равномерным потоком на выходе. Создан пакет прикладных программ для расчёта ГДЛ, исследованы другиетипы газовых лазеров. Предложена приближенная модель газоразрядного лазера и решены задачи оптимизации его параметров. Развит эффективный метод расчёта тлеющего разряда, изучена его структура.

Методы гидроаэромеханики имеют важное значение при исследовании процессов тепломассопереноса в технологии. Существенные результаты в этом направлении получены в Казанском технологическом университете (С.Г.Дьяконов, Ф.А.Гарифуллин, Н.Х.Зинатуллин и др.) и в ИММ КНЦ РАН (Д.А.Губайдуллин, А.Б.Мазо, В.Л.Федяев). Разработаны принципы декомпозиции сложных тепломассообменных процессов, методы расчёта течений многофазных, а также нелинейно вязких и вязкоупругих сред; исследована тепловая конвекция в реологически сложных системах.

История механики. М., 1972;

Очерки истории НИИ математики и механики имени Н.Г.Чеботарёва. Казань, 1989;

Механико-математический факультет Казанского университета: Очерки истории. Казань, 2000;

БСЭ. 3 изд. М., 1971. Т. 6;

Физический энциклопедический словарь. М., 1983.

Автор – А.В.Костерин